毫米波电路中腔体效应仿真设计

2018-05-30博微太赫兹信息科技有限公司中国电子科技集团公司第三十八研究所高炳西齐登钢吴博文

电子世界 2018年9期

博微太赫兹信息科技有限公司中国电子科技集团公司第三十八研究所高炳西齐登钢吴博文张丹冯辉

引言

随着毫米波通讯、雷达等技术发展，微波毫米波集成电路技术得到飞速发展，微波毫米波集成电路向小型化高集成度方向发展。随着组件集成度与工作频率越来越高，组件空间尺寸越来越小，微波毫米波集成电路中存在的腔体效应对组件性能的影响成为微波毫米波电路设计中不可忽视的重要问题。

腔体效应是指由组件的空间参数（形状、尺寸）和电路分布参数等造成的寄生参量对微波组件传输及工作性能参数的影响。在微波毫米波集成电路组件中，由于腔体内部结构复杂，加上元器件对腔体的微扰，目前尚无精确的解析理论支持微波腔体效应分析与设计。本文介绍一种通过电磁仿真软件HFSS分析微波毫米波组件腔体效应的方法。

1.微波腔体效应仿真设计

当裸片被封装在金属腔体内部后，由于其工作波长与金属腔体的特征长度相当，腔体的谐振频率会与组件的工作频率重合，腔体内部容易产生谐振现象，进而影响组件的正常工作。所以分析腔体的谐振特性，对保证组件的稳定工作具有非常重要的指导意义。工程上较常见的方法是通过合理设计腔体尺寸、在腔体内壁面粘贴或涂抹吸波材料等方法消除组件内的腔体效应。

本文通过一种工作频率为W波段的宽带低噪声放大器腔体设计实例，介绍两种腔体效应的HFSS仿真分析方法。

1.1 本征模式分析方法

根据电磁场理论[1]，矩形腔体内会存在TE和TM 模式两种类型的电磁振荡，其谐振频率为：

其中，m，n，l分别为对应a，h，d长度方向上的驻波个数，根据上式可以计算矩形谐振腔的谐振频率。但在实际的微波毫米波集成电路腔体中，由于其结构形态较为复杂，腔体内部元器件及外围电路等都会对腔体的谐振特性会产生微扰作用，所以在实际的工程设计中，简单的解析理论[2]计算是不完善的，可以借助专业的电磁仿真软件进行仿真分析。为了提高仿真精度与准确性，仿真分析中应尽可能将芯片及其外围电路按照其实际应用状态代入仿真模型，进行整体仿真。

图1 腔体效应仿真模型

其次，宽频带组件的真实工作频率范围往往宽于其标称的工作频率范围，腔体效应仿真设计时，其谐振频率应不能与实际工作频率重合。

本文以一种W波段宽带低噪声放大器模块腔体效应为例，介绍使用HFSS本征模式分析腔体效应的方法。图1为低噪声放大器模块腔体效应仿真模型。腔体的尺寸近似为（a,h,d）=( 5.6, 1.1, 9.95)mm。并将供电电极、外围滤波电容、放大器芯片，传输微带线等按实际应用形态带入仿真模型，由于放大器芯片内部电路较为复杂，采用相应材质的50ohm微带线代替。考虑到HFSS中建模较为复杂，通过第三方机械建模软件SolidWorks导入，导入模型后再重新分配各元器件的材料属性。

表I 65～120GHz范围内腔体谐振频率及其模数

选择HFSS中Eigenmode求解器，设置最小求解频率65GHz，求解模个数20。表I为频率在65～120GHz范围内，HFSS仿真本征模频率与通过理论公式计算结果以及对应的模数。从表I的计算结果来看，65～120GHz范围内腔体的最低阶模数为（2,0,2），属于高阶模式，其主模谐振频率不在组件的工作频率范围，可认为该腔体状态下不存在对组件工作稳定性造成影响的腔体效应。

对表I的数据分析发现，同一模数下理论计算的谐振频率与仿真分析结果有明显的不同，这主要是仿真模型中带入的芯片及其他外围电路元器件对矩形腔体产生的微扰引起的，其振荡特性发生了明显的改变，所以在实际工程设计中，仅仅依靠理论模型分析腔体效应是不够的，需要借助电磁仿真工具进行整体分析。

1.2 S参数分析方法

当元器件受到腔体效应影响不能稳定工作时，其S参数在腔体谐振频率点处存在“特征尖峰”，这些“特征尖峰”对应的频率点与腔体的谐振频率相关，所以可通过HFSS仿真分析元器件在腔体内部的S参数来分析腔体的谐振特性。当S11与S21参数不存在明显的“特征尖峰”时，可以认为腔体内部不存在影响微波电路的腔体效应。

图2 腔体效应S参数法仿真结果

图2为图1仿真模型下S参数法仿真结果。选择HFSS中Driven Modal求解器，设置两个微带线端口为Wave Port端口。从仿真结果来看，65～120GHz范围内，S11与S21曲线无“特征尖峰”存在。这与2.1中本征求解谐振频率的结果是一致的，在65～120GHz范围内腔体的谐振频率对应的为高阶模式，由于高阶模式的电磁能量较弱，不会对腔体内特定频段的微波毫米波组件工作性能及稳定性造成影响。